Reakcje katalityczne: definicja, opis, przykłady

W tym artykule omówimy reakcje katalityczne. Czytelnik zapozna się z ogólną ideą katalizatorów i ich wpływem na system, a także opisy reakcji, cech ich przebiegu i wiele więcej.

Wprowadzenie do katalizy

Zanim zapoznasz się z reakcjami katalitycznymi, warto wiedzieć, czym jest kataliza.

Jest to selektywny proces przyspieszania, określony termodynamicznie kierunek reakcji, który jest wystawiony na działanie katalizatora. Jest to wielokrotnie uwzględniane w interakcji o charakterze chemicznym i wpływ na uczestników reakcji. Pod koniec każdego cyklu pośredniego katalizator powraca do swojej pierwotnej postaci. Koncepcja katalizatora została wprowadzona do obiegu przez J. Barceliusa i Jensa w 1835 roku.

Informacje ogólne

Kataliza jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie i jest powszechnie stosowana przez człowieka w przemyśle technologicznym. Zdecydowana większość wszystkich reakcji stosowanych w przemyśle jest katalityczna. Istnieje koncepcja autokatalizy - zjawiska, w którym akcelerator działa jako produkt reakcji lub jest częścią związków wyjściowych.

Wszystkie rodzaje chemicznego oddziaływania reagentów dzieli się na reakcje katalityczne i niekatalityczne. Przyspieszenie reakcji z udziałem katalizatorów nazywa się katalizą dodatnią. Spowolnienie szybkości interakcji zachodzi z udziałem inhibitorów. Reakcje mają charakter negatywny katalityczny.

Reakcja katalityczna jest nie tylko sposobem na zwiększenie mocy produkcyjnej, ale także szansą, która poprawia jakość produktu. Wynika to ze zdolności specjalnie dobranej substancji do przyspieszenia głównej reakcji i jednoczesnego spowolnienia prędkości.

Reakcje katalityczne zmniejszają również koszty energii, które pochłaniają sprzęt. Wynika to z faktu, że przyspieszenie umożliwia przebieg procesu w warunkach niższej temperatury, co byłoby wymagane bez jego obecności.

Przykładem reakcji katalitycznej jest wytwarzanie wartościowych przedmiotów, takich jak: kwas azotowy, wodór, amoniak itp. Procesy te są najczęściej stosowane w produkcji aldehydów, fenoli, różnych tworzyw sztucznych, żywic i gum itp.

Różnorodność reakcji

Istota katalizy polega na przełożeniu mechanizmu reakcji na najbardziej opłacalną opcję. Jest to możliwe dzięki zmniejszeniu energii aktywacji.

Katalizator tworzy słabe wiązanie chemiczne z określoną cząsteczką odczynnika. Pozwala to na ułatwienie reakcji z innym odczynnikiem. Substancje katalityczne nie wpływają na przesunięcie równowagi chemicznej, ponieważ działają odwracalnie w obu kierunkach.

Kataliza dzieli się na dwa główne typy: homogeniczne i heterogeniczne. Wspólną cechą wszystkich oddziaływań pierwszego rodzaju jest to, że katalizator znajduje się we wspólnej fazie z reagentem samej reakcji. Drugi typ ma w tym punkcie różnicę.

Homogeniczne reakcje katalityczne pokazują nam, że przyspieszacz, oddziałujący z konkretną substancją, tworzy związek pośredni. To jeszcze bardziej zmniejszy ilość energii wymaganej do aktywacji.

Heterogeniczna kataliza przyspiesza proces. Z reguły płynie po powierzchni ciał stałych. W rezultacie możliwości katalizatora i jego aktywność są określane przez wielkość powierzchni i indywidualne właściwości. Heterogeniczna reakcja katalityczna ma bardziej złożony mechanizm działania niż jednorodny. Jego mechanizm obejmuje 5 etapów, z których każdy może być odwracalny.

W pierwszym etapie rozpoczyna się dyfuzja oddziałujących odczynników do obszaru stałego, po czym następuje adsorpcja o charakterze fizycznym, a następnie następuje chemisorpcja. W rezultacie rozpoczyna się trzeci etap, w którym zaczyna się reakcja między cząsteczkami reagujących substancji. W czwartym etapie obserwuje się desorpcję produktu. W piątym etapie końcowa substancja rozprasza się do wspólnych strumieni z płaszczyzny katalizatora.

Materiały katalityczne

Istnieje pojęcie nośnika katalizatora. Jest to materiał typu obojętnego lub małoaktywnego, niezbędny do doprowadzenia cząstek zaangażowanych w fazie katalizy do stanu stabilnego.

Przyspieszanie heterogeniczne jest konieczne, aby zapobiec procesom spiekania i aglomeracji składników aktywnych. W przeważającej liczbie przypadków liczba nośników przewyższa obecność zastosowanego składnika aktywnego typu. Główna lista wymagań, które powinien spełniać nośnik, to duża powierzchnia i porowatość powierzchni, stabilność termiczna, obojętność i odporność na naprężenia mechaniczne.

Baza chemiczna. Chemia przyspieszania interakcji między substancjami pozwala nam rozróżnić dwa rodzaje substancji, mianowicie katalizatory i inhibitory. Ten drugi z kolei spowalnia szybkość reakcji. Jednym z rodzajów katalizatorów są enzymy.

Katalizatory nie stechiometrycznie wchodzą w związek z produktem samej reakcji, a na końcu są zawsze regenerowane. W dzisiejszych czasach istnieje wiele sposobów wpływania na proces aktywacji molekularnej. Kataliza jest jednak podstawą produkcji chemicznej.

Charakter katalizatorów pozwala na ich podział na jednorodną, ​​niejednorodną, ​​międzyfazową, enzymatyczną i micelarną. Reakcja chemiczna z udziałem katalizatora obniży koszt energii wymaganej do jego aktywacji. Na przykład niekatalityczny rozkład NH3 do azotu i wodoru będzie wymagał około 320 kJ / mol. Ta sama reakcja, ale pod wpływem platyny, zredukuje tę liczbę do 150 kJ / mol.

Proces uwodornienia

Przeważająca liczba reakcji z udziałem katalizatorów opiera się na aktywacji atomu wodoru i określonej cząsteczki, co dalej prowadzi do interakcji o charakterze chemicznym. Zjawisko to nosi nazwę uwodornienia. Jest to podstawa większości etapów rafinacji i wytwarzania ciekłego paliwa z węgla. Produkcja tego ostatniego została otwarta w Niemczech ze względu na brak złóż ropy naftowej w kraju. Tworzenie takiego paliwa nazywa się procesem Bergiusa. Polega na bezpośrednim połączeniu wodoru i węgla. Węgiel jest ogrzewany w określonych warunkach ciśnienia i wodoru. W konsekwencji powstaje produkt ciekły. Katalizatorami są tlenki żelaza. Ale czasami używają substancji na bazie metali, takich jak molibden i cyna.

Istnieje inny sposób na wyprodukowanie takiego samego paliwa, które nazywa się procesem Fischera-Tropscha. Składa się z dwóch etapów. W pierwszym etapie węgiel poddawany jest gazyfikacji, poddając go działaniu pary wodnej i O2. Ta reakcja prowadzi do powstania mieszaniny wodoru i tlenek węgla. Następnie, stosując katalizatory, mieszaninę przenosi się do stanu ciekłego paliwa.

Związek kwasowości i zdolności katalitycznych

Reakcja katalityczna jest zjawiskiem zależnym od kwaśnych właściwości samego katalizatora. Zgodnie z definicją J. Brønsteda kwas jest substancją, która może dawać protony. Silny kwas łatwo odda swój proton do bazy. G. Lewis zdefiniował kwas jako substancję zdolną do przyjmowania par elektronów z substancji dawcy i, w rezultacie, formowania wiązanie kowalencyjne. Te dwie koncepcje pozwoliły człowiekowi określić istotę mechanizmu katalizy.

Moc kwasu jest określana za pomocą zestawów zasad, które mogą zmienić swój kolor z powodu dodania protonu. Niektóre substancje katalityczne stosowane w przemyśle mogą zachowywać się wyjątkowo silne kwasy. Ich siła determinuje szybkość protonowania, a zatem jest bardzo ważną cechą.

Kwasowa aktywność katalizatora wynika z jego zdolności do reakcji z węglowodorami, tworząc w ten sposób pośredni produkt - jon karbonylowy.

Proces odwadniania

Odwodornienie jest również reakcją katalityczną. Jest często stosowany w różnych sektorach przemysłu. Chociaż procesy katalityczne oparte na dehydrogenacji są stosowane rzadziej niż reakcje uwodornienia, to jednak zajmują ważne miejsce w działalności człowieka. Przykładem tego typu reakcji katalitycznej jest produkcja styrenu, ważnego monomeru. Na początek następuje odwodornienie etylobenzenu z udziałem substancji zawierających tlenek żelaza. Człowiek często wykorzystuje to zjawisko do odwadniania wielu alkanów.

Podwójne działanie

Istnieją podwójne katalizatory zdolne do przyspieszania reakcji dwóch typów jednocześnie. W rezultacie prowadzi to do lepszych wyników w porównaniu z przenoszeniem odczynników naprzemiennie przez 2 reaktory zawierające tylko jeden typ katalizatorów. Wynika to z faktu, że aktywny środek przyspieszacza z podwójnym działaniem znajduje się w położeniu bliskim z innym podobnym środkiem, jak również z produktem pośrednim. Dobrym rezultatem jest na przykład łączenie katalizatorów aktywujących wodór z substancją, która pozwala na proces izomeryzacji węglowodorów. Aktywacja jest często prowadzona przez metale, a izomeryzacja zachodzi z udziałem kwasów.

Specyfika głównych reakcji katalitycznych

Zdolność i skuteczność katalizatora wynika również z jego podstawowych właściwości. Uderzającym przykładem jest wodorotlenek sodu, który jest stosowany podczas hydrolizy tłuszczów do produkcji mydła. Tego typu katalizatory są również stosowane do produkcji płyt piankowych i poliuretanowych. Uretan otrzymuje się podczas interakcji alkoholu i izocyjanianu. Przyspieszenie reakcji następuje po ekspozycji na określoną zasadową aminę. Baza jest przyłączona do atomu węgla zawartego w cząsteczce izocyjanianu. W rezultacie atom azotu staje się naładowany ujemnie. Prowadzi to do zwiększonej aktywności w stosunku do alkoholu.

Polimeryzacja stereospecyficzna

Odkrycie polimeryzacji olefin z późniejszym wytwarzaniem stereoregularnych substancji polimerowych ma wielkie historyczne znaczenie w historii badań nad katalizą. Odkrycie katalizatorów charakteryzujących się stereospecyficzną polimeryzacją należy do K. Zieglera. Prace Zieglera nad produkcją polimerów zainteresowały J. Natta, który zasugerował, że unikalność polimeru powinna być określona przez jego stereoregularność. Duża liczba eksperymentów obejmujących dyfrakcyjne promieniowanie rentgenowskie pokazała, że ​​polimer otrzymany z propylenu pod wpływem katalizatora Zieglera jest wysoce krystaliczny. Efekt działania jest stereoregularny.

Reakcje tego typu zachodzą na płaszczyźnie stałego katalizatora zawierającego metale przejściowe, takie jak Ti, Cr, V, Zr. Muszą być w niepełnym stopniu utlenienia. Równie żywym przykładem jest równanie reakcji katalitycznej między oddziaływaniem TiCl4 i Al (C ₂ H ₅ ) ₃ , w trakcie którego tworzy się osad. W tym przypadku tytan jest przywracany do stanu zgodnego z 3 stanami. Ten typ aktywnego systemu umożliwia polimeryzację propylenu w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia.

Utlenianie w reakcji katalitycznej

Katalityczne reakcje utleniania są szeroko stosowane przez ludzi ze względu na zdolność pewnych substancji do regulowania szybkości samej reakcji. Niektóre przypadki wymagają całkowitego utlenienia, na przykład neutralizacji CO i zanieczyszczeń zawierających węglowodory. Jednak większość reakcji wymaga niepełnego utleniania. Konieczne jest przemysłowe wytwarzanie wartościowych, ale pośrednich produktów, które mogą zawierać określoną i ważną grupę pośrednią: COOH, CN, CHO, C-CO. W tym samym czasie człowiek stosuje zarówno heterogeniczne, jak i monogeniczne typy katalizatorów.

Spośród wszystkich substancji zdolnych do przyspieszania przebiegu reakcji chemicznych ważne miejsce zajmują tlenki. Głównie w stanie stałym. Przebieg utleniania dzieli się na 2 etapy. W pierwszym etapie tlenek tlenu jest wychwytywany przez cząsteczkę węglowodoru adsorbowanego tlenku. W wyniku tego tlenek ulega redukcji, a węglowodór zostaje utleniony. Odnowiony tlenek oddziałuje z O2 i powraca do swojego pierwotnego stanu.